E-Autobatterien: Neue Verfahren zur Produktion von NMC-Material

Als Kathodenmaterial für Elektro-Autobatterien werden Nickel-Mangan-Kobalt-Oxide (NMC) verwendet. Das Unternehmen Pure Battery Technologies (PBT) mit Hauptsitz in Brisbane/Australien und einer deutschen Tochter-AG in Ettlingen hat gemeinsam mit der University of Queensland Verfahren zur industriellen Reife entwickelt, die sowohl für die Neuproduktion von Kathodenmaterial als auch für das Recycling der Black Mass geeignet sind.

Der für Batterien notwendige Metall-Mix NMC kommt natürlich im Erdreich vor. In den herkömmlichen Raffinerieprozessen von Metallrohstoffen oder auch Metallabfällen, der sogenannten Black Mass, werden die drei Metalle Nickel, Mangan und Kobalt zunächst voneinander getrennt, dann von Unreinheiten befreit und schließlich erneut zu einer passenden Mischung zusammengeführt. Diese Verfahren mit vielen Schritten benötigen sehr große Mengen an Chemikalien, Wärme und Druck. Das alles erfordert Energie, erzeugt CO2 und verursacht hohe Kosten.

Reinigung statt Trennung
An diesem Punkt setzen die patentierten Verfahren SAL (Selective Acid Leaching) und CL (Combined Leaching) an: In zwei einfachen Schritten werden aus den vorhandenen Metallkonzentraten die Verunreinigungen gelöst und die Metalle gefiltert. Für diese chemischen Prozesse kommen sehr geringe Mengen von gängigen und – wie es heißt – vollkommen unschädlichen Oxidations- und Reduktionsmitteln zum Einsatz; diese werden in den Verfahren am Ende als „harmlose“ Salze wiedergewonnen oder ausgeschwemmt. Aus dem Nickel- und Kobaltkonzentrat wird dann die passende Mischung für aktives Vorläuferkathodenmaterial pCAM produziert. Dieses kann kundenspezifisch angepasst werden.

Die bisherige Metalltrennung sowie Wiederzusammenführung entfällt. Wesentlich weniger Chemikalien, Wärme und Druck müssen laut PBT eingesetzt werden. Auch bei der Herstellung von Chemikalien werde erheblich Energie eingespart, wodurch sich der CO2-Ausstoß auf ein Minimum verringern lasse. Die eingesparte Energie sowie die entfallenen Prozessschritte würden schließlich die Kosten und die Dauer der Produktion des aktiven Vorläuferkathodenmaterials pCAM reduzieren.

Für alle Metallrohstoffe und -abfälle
Die von PBT entwickelten Prozesse eignen sich sowohl für die Neuproduktion von Kathodenmaterial als auch für das Recycling der Black Mass, also dem aus alten Batterien rückgewonnenen Kathodenabfall. Für die meisten künftigen Batterien, die auf der Lithium-Ionen-Technologie basieren, sind die Verfahren ebenfalls einsetzbar. Hierzu zählen die bei einigen Herstellern bereits für die nächste Fahrzeuggeneration vorgesehenen Feststoffbatterien, die sich als leistungsstärker und preisgünstiger erweisen.

Die beiden Verfahren SAL und CL von PBT fügen sich jeweils als fertiger Baustein in die bestehenden Wertschöpfungsketten ein. Deshalb plant das Unternehmen nicht nur den Aufbau eigener Produktionskapazitäten. Angestrebt werden vielmehr Partnerschaften mit Kunden. „Wir verhalten uns zu den einzelnen Industrien wie ein Zulieferer, an den eine wichtige Tätigkeit ausgelagert wird. PBT hat die bessere und effizientere Technologie. Die Kunden – ganz gleich ob OEM, Kathoden- oder Batteriehersteller – können sich auf ihre Kernaufgaben konzentrieren“, erklärt Thomas Fahrner, CEO der Pure Battery Technology Germany AG in Ettlingen.

„Wir werden mit unseren SAL- und CL-Prozessen die Erzeugung von Kathodenmaterial sowie das Recycling revolutionieren“, ist Björn Zikarsky, CEO bei PBT-Holding, überzeugt. „Unsere Technologie ist erheblich effizienter als die bisher bekannten Prozesse. Wir haben damit eine Alleinstellung am Markt und wollen die bestehenden Prozesse ersetzen. Wir bieten das Verfahren Automobilherstellern, deren Zulieferern sowie der Batteriewirtschaft und der chemischen Industrie als fertigen Baustein für ihre Produktion von aktivem, nickelbasierten Kathodenmaterial an.“

Überblick der Ergebnisse
In Zahlen bieten die SAL- und CL-Verfahren von PBT folgende Vorteile:

• Energie-Einsparung: Je nach Qualität des Vorprodukts 50-80% weniger Energieverbrauch zur Herstellung von aktivem Vorläuferkathodenmaterial (pCAM). Diese Einsparungen entsprechen circa 4-6 kWh pro kg Nickel.
• Niedrigere Prozesskosten: Der vereinfachte Prozess senkt die Produktionskosten von pCAM erheblich.
• Kostenreduktion für das batteriefertige Vorläuferkathodenmaterial von > USD 2,50 pro kWh oder circa 5% der Gesamtprozesskosten einer Batteriezelle.
• Im Recycling eine Kostenreduktion von > USD 2,50 pro kWh oder circa 5% der Gesamtprozesskosten einer Batteriezelle.
• Verringerter CO2-Ausstoß: 70-85% weniger CO2-Emissionen bei der Erzeugung von pCAM aus primären Rohstoffen.
• 55-60% weniger CO2 bei der Verarbeitung von Black Mass der Metallabfälle zu pCAM.
• 960 kg weniger CO2-Ausstoß für die Umwandlung von Rohmaterial in batteriefähiges Vorläuferkathodenmaterial für eine 80 kWh-Batterie, die z. B. in einem SUV eingesetzt wird.
• 10% weniger zusätzlicher CO2-Ausstoß im Herstellungsprozess eines E-Autos.
• 30-80% der Batterieemissionen stammen aus der Rohstoffgewinnung.
• 20-30% weniger CO2-Emissionen in der gesamten Wertschöpfungskette.

Die beiden Verfahren seien leicht für die Massenproduktion skalierbar, „weil pCAM als fertiges Modul problemlos in die bestehenden Produktionsketten integriert werden kann“. Daher stellen auch die aktuell den Recyclingmarkt dominierenden Unternehmen keine Wettbewerber für PBT dar. Sie werden vielmehr als künftige Partner gesehen. PBT unterstützt Regierungsverantwortliche und OEMs, deren Zulieferer sowie die Batteriehersteller und die chemische Industrie bei der Erfüllung aktueller und künftiger CO2-Vorgaben und -Ziele.

Aufgrund seiner ökonomischen und ökologischen Vorteile sowie seiner leichten und flexiblen Einsetzbarkeit stellen sich das SAL-Verfahren und das CL-Verfahren als geeignet dar, die bisherigen kosten-, energie- und CO2-intensiven Prozesse abzulösen. PBT ist nach eigener Aussage das einzige Unternehmen, das mit diesen patentierten Verfahren am Markt ist.

www.purebatterytech.com

(Erschienen im EU-Recycling Magazin 03/2023, Seite 51, Fotos: Pure Battery Technology)